V novej ére rozsiahleho výskumu temnej hmoty vychádza kontroverzná myšlienka jej koncentrácie v tenkých diskoch z vedeckého zabudnutia
V roku 1932 holandský astronóm Jan Oort počítal hviezdy v Mliečnej dráhe a zistil, že sú nezvestné. Na základe skutočnosti, že hviezdy, pohybujúce sa v kruhu v rovine galaxie, skočia hore a dole ako kone na kolotoč, Oort spočítal, že látka, ktorá na ne pôsobí gravitačným účinkom a uvádza ich do pohybu, by mala byť dvojnásobná, ako videl. … Oort predpokladal, že nedostatok je nahradený skrytou „temnou hmotou“, a navrhol, že je sústredený v disku, čo vysvetľuje pohyb hviezd.
Objavenie temnej hmoty, ktorá sa nazýva neviditeľná a neurčitá, sa však nazýva päť až šestina hmotnosti vesmíru, sa zvyčajne pripisuje švajčiarsko-americkému astronómovi Fritzovi Zwickymu, ktorý v roku 1933 odvodil svoju existenciu zo vzájomných pohybov galaxií. Oort nebol dobre známy z toho dôvodu, že bol na nesprávnej ceste. Do roku 2000 autori nových štúdií Mliečnej dráhy pomocou Oortovej metódy určili, že „chýbajúca“hmota bola obsiahnutá v slabých hviezdach, plyne a prachu a potreba tmavého disku už nebola potrebná. Rady pred 80 rokmi naznačujú, že temná hmota bez ohľadu na to, čo to je, vytvára okolo galaxií sférické oblaky, ktoré sa nazývajú halo.
Prinajmenšom to hovoria väčšina lovcov temnej hmoty. Ale aj keď koncepcia temného disku stratila svoju popularitu, nikdy nebola úplne opustená. V poslednom čase táto myšlienka našla veľkého fanúšika Lisy Randallovej, profesorky fyziky na Harvardskej univerzite, ktorá zdvihla teóriu diskov z vedeckého zabudnutia a vytlačila ju do stredu galaktickej scény.
Randall a jeho kolegovia navrhli model v roku 2013 a tvrdili, že temný disk dokáže vysvetliť gama lúče vychádzajúce z galaktického centra, ploché rozloženie trpasličích galaxií na obežnej dráhe okolo hmly Andromeda a Mliečnej dráhy a dokonca aj pravidelné pády komét a hromadné vyhynutia. druhy na Zemi. O tom napísala vo svojej populárnej vedeckej knihe Dark Matter and Dinosaurs, ktorá vyšla v roku 2015.
Astrofyzici, ktorí inventarizujú Mliečnu cestu, však protestovali a tvrdili, že celková hmotnosť galaxie a skoky jej hviezd sa zhodujú príliš dobre a nezostáva priestor pre tmavý disk. „Je to omnoho prísnejšie, ako si myslí Lisa Randall,“hovorí astrológ Jo Bovy z Toronta.
Teraz sa Randall, ktorý vyvinul množstvo veľkých myšlienok v kritických otázkach základnej fyziky, vracia späť. V dokumente uverejnenom minulý týždeň online a prijatom na publikovanie v The Astrophysical Journal, Randall a jej študent Eric Kramer našli pri analýze Mliečnej dráhy diskotvornú medzeru: „Stále máme dôležitý detail, ktorý máme zatiaľ nevenovali pozornosť, píšu. „Disk môže vytvoriť priestor pre seba.“
Ak temný disk prejde stredovou rovinou galaxie, argumentujú Randall a Kramer, gravitácia vtiahne zvyšok hmoty dovnútra, čo vedie k zvýšeniu hustoty hviezd, plynu a prachu v stredovej rovine. Vedci zvyčajne vypočítavajú celkovú zdanlivú hmotnosť Mliečnej dráhy extrapoláciou smerom von na základe hustoty strednej roviny. Ak dôjde k zúženiu, táto extrapolácia povedie k preháňaniu zdanlivej hmoty a potom bude existovať pocit, že táto hmota zodpovedá pohybu hviezd. Z tohto dôvodu autori predchádzajúcich štúdií nevideli dôkaz o tmavom disku, hovorí Kramer. Spoločne s Randallom veria, že je možný tenký tmavý disk a že jeho prítomnosť je v niektorých ohľadoch výhodnejšia ako jeho neprítomnosť.
Propagačné video:
„Práca Lisy oživila toto podnikanie,“hovorí Chris Flynn z Swinburne University of Technology v austrálskom Melbourne. Spolu s Johanom Holmbergom (Johan Holmberg) začiatkom 21. storočia uskutočnil niekoľko „inventárov“Mliečnej dráhy, ktoré akoby zničili všetky možnosti existencie temného disku.
Bowie nesúhlasí. Aj keď vezmeme do úvahy obmedzujúci účinok, podľa jeho odhadu môže byť na tmavom disku najviac 2% z celkového množstva tmavej hmoty, zatiaľ čo zvyšok by mal tvoriť halo. „Myslím si, že väčšina ľudí chce zistiť, čo je 98% tmavej hmoty, nie 2%,“hovorí.
Táto rozprava, rovnako ako osud temného disku, sa môže čoskoro vyriešiť. Satelit Gaia Európskej vesmírnej agentúry v súčasnosti teleskopuje polohy a rýchlosti miliárd hviezd a konečný register Mliečnej dráhy by sa mohol dokončiť do konca budúceho leta.
Skupina mladých galaxií Abell 2151 v súhvezdí Hercules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digitalizovaný prieskum oblohy 2
Otvorenie tmavého disku akejkoľvek veľkosti by bolo veľmi zjavné. Ak existuje, temná hmota sa ukáže byť oveľa zložitejšia, ako vedci už dlho uverili. Hmota sa zhromažďuje do tvaru disku iba vtedy, ak má schopnosť emitovať energiu a najlepším spôsobom, ako vyžarovať dostatok energie, je tvoriť atómy. Existencia temných atómov by znamenala, že temné protóny a temné elektróny, nabité ako viditeľné protóny a elektróny, spolu interagujú cez temnú silu prenášanú temnými fotónmi. Aj keď 98% tmavej hmoty je inertných a tvorí halo, existencia najtenšieho tmavého disku by znamenala prítomnosť „tmavého sektora“neznámych častíc, tak rozmanitých ako viditeľný vesmír.
„Bežná hmota je dosť zložitá; je tu látka, ktorá hrá úlohu v atómoch, a je tu aj látka, ktorá nehrá, hovorí astrofyzik z Kalifornskej univerzity, Irvine, James Bullock. „Preto by nebolo šialené predstaviť si, že ďalších päť šestín hmoty vo vesmíre je tiež dosť zložitých a že určitá časť temného odvetvia existuje vo forme viazaných atómov.“
Koncept zložitosti temnej hmoty nedávno našiel stále viac priaznivcov, podporovaných astrofyzikálnymi anomáliami, ktoré sa nezhodujú s myšlienkou tmavej hmoty ako pasívnych, pomalých a „slabo interagujúcich masívnych častíc“. Tieto anomálie, ako aj skutočnosť, že v priebehu podrobných experimentov v rôznych krajinách sveta sa také ťažké slabo interagujúce častice (WIMP) nikdy nezistili, oslabili túto teóriu a označili začiatok novej éry, v ktorej môže niekto špekulovať, že je pre takú šelmu - temnú hmotu.
Táto éra prišla niekedy v roku 2008, keď účastníci experimentu PAMELA objavili nadbytok pozitrónov pochádzajúcich z vesmíru (v porovnaní s elektrónmi). Táto asymetria vyvolala záujem o dnes populárny model „asymetrickej tmavej hmoty“navrhnutý Kathryn Zurek a jej kolegami. V tom čase bolo v obehu len málo nápadov, iných ako koncepcia prútikov. "Boli tu modelári ako ja, ktorí chápali, že myšlienka temnej hmoty bola v tomto smere úplne nerozvinutá," hovorí Tsurek, ktorý teraz pracuje v Národnom laboratóriu. Lawrence Berkeley v Kalifornii. "Tak sme sa ponorili do tejto práce."
Hustota trpasličích galaxií bola ďalším stimulom. Keď sa vedci snažia modelovať svoju formáciu, trpasličie galaxie bývajú vo svojich centrách príliš husté, pokiaľ vedci nepredpokladajú, že častice temnej hmoty môžu vzájomne pôsobiť pomocou temných síl. Ak tu však pridáme príliš silnú interakciu, zničíme modely tvorby štruktúr v ranom vesmíre.
„Snažíme sa zistiť, čo možno tolerovať,“hovorí Bullock, ktorý tieto modely tiež navrhuje. Väčšina modelárov umožňuje slabé interakcie, ktoré neovplyvňujú tvar halo tmavej hmoty. „Ale pozoruhodné je, že existuje trieda temnej hmoty, ktorá umožňuje vytváranie diskov,“hovorí Bullock. V tomto prípade bude interagovať iba nepatrná frakcia častíc temnej hmoty, ale budú interagovať dostatočne silne, aby rozptýlili energiu a vytvorili disky.
Randall a jej kolegovia JiJi Fan, Andrey Katz a Matthew Reece v roku 2013 prišli s touto myšlienkou rovnako ako Oort. Pokúsili sa vysvetliť zjavnú anomáliu Mliečnej dráhy. Takzvaná Fermiho línia je nadbytok gama lúčov určitej frekvencie pochádzajúcich z galaktického centra. „Bežná temná hmota nedokázala zničiť dosť na to, aby vytvorila Fermiho líniu,“hovorí Randall, „a tak sme si mysleli, čo keď je to oveľa hustejšie?“Takže temný disk dostal druhý život. Keď sa objavilo viac údajov, línia Fermi zmizla, ale nápad na disk sa oplatí preskúmať. V roku 2014 Randall a Rees navrhli, že práve kvôli disku existujú intervaly 30 až 35 miliónov rokov medzi zvyšujúcou sa aktivitou komét a meteorov.ktoré niektorí vedci spájajú s pravidelnými hromadnými vyhynutiami. Zakaždým, keď sa slnečná sústava odrazí nahor alebo nadol na kolotočoch Mliečnej dráhy, argumentujú, že gravitačný účinok disku môže destabilizovať asteroidy a kométy v Oortovom oblaku, skládku odpadu na okraji našej slnečnej sústavy pomenovanú po astronómovi z Holandska. Tieto objekty lietajú smerom k vnútornej časti slnečnej sústavy a niektoré padajú na Zem.
Ale Randall a jej tím urobili iba zbežný kurz, a ako sa ukázalo, nesprávna analýza toho, koľko miesta v celkovej hmotnosti Mliečnej dráhy zostáva pre temný disk, ako bolo posúdené pohybom hviezd. "Urobili nejaké poburujúce vyhlásenia," povedal Bovey.
Randall, známa medzi svojimi rovesníkmi pre svoju húževnatosť (podľa Reesa), priviedla Kramera do prípadu, aby reagoval na kritiku a „vyžehnal všetky vrásky“v analýze skôr, ako sa sprístupnili údaje o Gaii. Nová analýza ukázala, že akonáhle existoval temný disk, nemohol byť taký hustý, ako pôvodne veril jej tím. Stále však existoval priestor pre tenký tmavý disk kvôli jeho obmedzujúcemu účinku a dodatočnej neistote spôsobenej čistým unášaním hviezd v Mliečnej dráhe.
Chris McKee a jeho kolegovia z University of California v Berkeley zistili nový problém, o ktorom píšu v The Astrophysical Journal. McKee si myslí, že tenký, tmavý disk by sa mohol stále vytlačiť do veľkokapacitného úložiska Mliečnej dráhy. Tento disk však môže byť tak tenký, že sa jednoducho zhroutí. McKee a jeho kolegovia citujú výskum zo 60. a 70. rokov a píšu, že disky nemôžu byť oveľa tenšie ako disk viditeľného plynu v Mliečnej dráhe, pretože by sa zrútili. "Možno, že temná hmota má vlastnosti, ktoré sa líšia od vlastností obyčajnej hmoty a tomu zabrániť, ale neviem, čo by to mohlo byť," - povedal McKee.
Randall ešte musí odraziť tento najnovší útok a nazýva ho „zložitou otázkou, ktorá sa v súčasnosti študuje“. Súhlasila aj s názorom Bowieho, že disk nabitých temných atómov je zanedbateľný v porovnaní s povahou 98% tmavej hmoty. Teraz skúma možnosť, že všetka temná hmota môže byť nabitá jedinou temnou silou, ale kvôli prebytku temných protónov nad temnými elektrónmi je len malá frakcia naviazaná na atómy a prevedená na disk. V takom prípade disk a halo musia byť zložené z rovnakých prvkov, „ktoré by boli hospodárnejšie“, hovorí. „Mysleli sme si, že sa to dá vylúčiť, ale nefungovalo to.“
Temný disk zatiaľ žije - ako symbol všetkého, čo nie je známe o temnej strane vesmíru. „Myslím si, že v tejto oblasti je veľmi užitočné, keď rôzni ľudia hľadajú rôzne nápady,“hovorí Bullock. „Pretože nemáme potuchy, čo to je - temná hmota, a musíme byť pripravení na celý rad možností.“